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1、第二章第二章 原子结构和原子结构和 晶体的结合力晶体的结合力两千多万种化学物质两千多万种化学物质大多数由原子构成，大多数由原子构成，而人类对原子的认识和探索已经历了而人类对原子的认识和探索已经历了2500多年。多年。直到直到20世纪世纪80年代，科学家才用扫描隧道显微年代，科学家才用扫描隧道显微镜观察到物体表面的原子。镜观察到物体表面的原子。2.1 原子结构原子结构1 1 近代原子论的建立者近代原子论的建立者道尔顿道尔顿化学元素均由不可再分的微粒构成化学元素均由不可再分的微粒构成,这种微粒称为原子。这种微粒称为原子。原子在一切化学变化中均保持其不原子在一切化学变化中均保持其不可再分性。可再分性
2、。同一元素的原子在质量和性质上都同一元素的原子在质量和性质上都相同相同,不同元素的原子在质量和性质不同元素的原子在质量和性质上都不相同。上都不相同。不同元素化合时不同元素化合时,这些元素的原子按这些元素的原子按简单整数比结合成化合物。简单整数比结合成化合物。汤姆生认为：正电荷均匀地分布在原子之中，汤姆生认为：正电荷均匀地分布在原子之中，而电子就像是葡萄干面包中的葡萄干一样散布而电子就像是葡萄干面包中的葡萄干一样散布在原子的正电荷之中，这就是原子结构的第一在原子的正电荷之中，这就是原子结构的第一个模型个模型葡萄干面包式葡萄干面包式模型。模型。 2 2汤姆生的原子结构模型汤姆生的原子结构模型葡萄干
3、面包模型葡萄干面包模型 葡萄干（电子）葡萄干（电子）面包（原子）面包（原子）1911年年，英英国国物物理理学学家家卢卢瑟瑟福福做做了了一一系系列列实实验验：当当用用一一束束平平行行的的a粒粒子子轰轰击击金金箔箔时时，发发现现绝绝大大多多数数a粒粒子子穿穿过过金金箔箔不不改改变变行行进进方方向向，只只有有极极少少数数的的a粒粒子子产产生生偏偏转转，其其中中个个别别的的甚甚至至反反方方向向折折回回。大大量量实实验验发发现现绝绝大大部部分分a粒粒子子穿穿过过金金箔箔时时不不改改变变行行进进方方向向、第第800010000个个a粒粒子子中中才才有有一一个个大大角角度度散散射射或或反反方方向折回。向折回
4、。3 3卢瑟福的原子结构模型发现原子核结构卢瑟福的原子结构模型发现原子核结构粒子粒子电子电子粒子散射实验 (1)每一个原子都有一个体积极小、极密实的核；每一个原子都有一个体积极小、极密实的核； (2)原子核占有全部正电荷和几乎全部的原子质量；原子核占有全部正电荷和几乎全部的原子质量； (3)原原子子核核被被一一个个体体积积很很大大几几乎乎什什么么也也没没有有的的空空间间包包 围着；围着； (4)原子核外的空间里极稀疏地散布着电子，其总原子核外的空间里极稀疏地散布着电子，其总 电荷数恰好与原子核中的正电荷相等。电荷数恰好与原子核中的正电荷相等。 卢瑟福提出含核原子结构模型。他的主要观点是：卢瑟福
5、提出含核原子结构模型。他的主要观点是：评价：评价：正确指出了原子的构成正确指出了原子的构成对电子的运动状态描述不符合事实。对电子的运动状态描述不符合事实。(1)在在原原子子中中，电电了了不不能能沿沿着着任任意意轨轨道道绕绕核核旋旋转转，而而只只能能沿沿着着符符合合一一定定条条件件的的轨轨道道旋旋转转。电电子子在在轨轨道道上上运动时，不吸收或放出能量，处于一种稳定状态。运动时，不吸收或放出能量，处于一种稳定状态。 (2)原原子子中中的的电电子子在在不不同同轨轨道道运运动动时时可可具具有有不不同同的的能能量量，电电子子运运动动时时所所处处的的能能量量状状态态称称为为能能级级。电电子子在在轨轨道道上
6、上运运动动时时所所具具有有的的能能量量只只能能取取某某些些不不连连续续的的数值数值(电子能量是量子化的电子能量是量子化的)。4 4玻尔的原子结构模型发现核外电子的能量玻尔的原子结构模型发现核外电子的能量(3)只有当电子从某一轨道跃迁到另一轨道时，才只有当电子从某一轨道跃迁到另一轨道时，才有能量的吸收或放出。当电子从能量较高的有能量的吸收或放出。当电子从能量较高的(E2)轨轨道跃迁到能量较低的道跃迁到能量较低的(E0)轨道时，原子就放出能量。轨道时，原子就放出能量。放出的能量转变为一个辐射能的光子，其频率可由放出的能量转变为一个辐射能的光子，其频率可由两个轨道的能量差决定。玻尔提出的原子结构模型
7、，两个轨道的能量差决定。玻尔提出的原子结构模型，揭示了光谱线与原子结构的内在联系。揭示了光谱线与原子结构的内在联系。由于这一开拓性的贡献，玻尔获得了由于这一开拓性的贡献，玻尔获得了1922年诺贝尔年诺贝尔物理学奖。物理学奖。 玻尔理论的玻尔理论的局限性局限性 1.它对能级的描述很能粗略，只有一个量子数。它对能级的描述很能粗略，只有一个量子数。 2.更不能解释原子如何形成分子的化学健的本质。更不能解释原子如何形成分子的化学健的本质。 5原原子子的的量量子子力力学学模模型型核核外外电电子子的的运运动动和和电电子排布规律子排布规律 玻玻尔尔的的原原子子结结构构模模型型理理论论也也不不是是十十分分完完
8、美美，在在解解释释氢氢以以外外的的多多电电子子原原子子的的光光谱谱线线时时，就就只只能能做做出出近近似似的的估估计计，无无法法定定量量计计算算。科科学学家家们们经经过过13年年的的艰艰苦苦修修改改、验验证证、论论证证，终终于于在在1925年年1926年年，在在玻玻尔尔原原子子结结构构模模型型的的基基础础上上发发展展成成为为原原子子的的量量子子力学模型，力学模型，其核心是薛定锷波动方程其核心是薛定锷波动方程。玻玻尔尔所所采采用用的的量量子子化化能能级级的的概概念念，即即主主量量子子数数( (主层主层) )。此此外外还还提提出出其其他他量量子子数数以以说说明明电电子子的的能能量量，如如亚亚层和轨道
9、数。层和轨道数。由由于于电电子子属属于于微微观观粒粒子子，具具有有波波粒粒二二象象性性，它它在在核核外外的的运运动动速速度度可可以以与与光光速速相相比比，很很难难同同时时准准确确地地测测定定它它的的速速度度和和位位置置，只只能能用用统统计计的的方方法法来来描描述，述，因而引入了因而引入了“电子云电子云”的概念。的概念。 原子的量子力学模型包括：原子的量子力学模型包括：小结小结电子波函数电子波函数 ： 单电子原子：如氢，方程可解。单电子原子：如氢，方程可解。 多电子原子：无法求解多电子原子：无法求解对于原子来说， 核外电子的运动状态用波函数描述。电子的波函数满足薛定谔方程电子的波函数满足薛定谔方
10、程 分别为：分别为： 主量子数 n n=1 2 3 4 对应主壳层：K L M N 角量子数l l =0，1，2，3， n-1, 对应亚壳层：s, p, d, f 磁量子数m m=-l , l+1, -1, 0, 1， l 在解原子体系的薛定谔方程的过程中，引入了三在解原子体系的薛定谔方程的过程中，引入了三个量子数个量子数n，l，m，即波函数由，即波函数由n，l，m决定。决定。结合键：结合键：原子结合成分子或固体的方式和结合力原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。的大小。u结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。从原则上讲，只要能从理论上正确
11、地分等性质。从原则上讲，只要能从理论上正确地分析和计算结合键，就能预测物质的各项性质。析和计算结合键，就能预测物质的各项性质。2.2 原子间的结合力原子间的结合力结合键结合键Bonding物理键物理键Physcal Bonding化学键化学键Chemical Bonding离子键离子键Ionic Bonding共价键共价键Covalent Bonding金属键金属键Metallic Bonding范德华键范德华键Van der Waals Bonding氢键氢键Hydrogen Bonding主价键主价键Primary Bonding次价键次价键Secondary Bondingu正负离子通过
12、静电引力（库仑引力）而结合成离子化正负离子通过静电引力（库仑引力）而结合成离子化合物或离子晶体，因此离子键又称极性键。合物或离子晶体，因此离子键又称极性键。 一、离子键一、离子键 多数盐类、碱类和金属氧化物多数盐类、碱类和金属氧化物实质：实质：金属原子失去电子成为带正电的正离子，非金属金属原子失去电子成为带正电的正离子，非金属原子得到电子成为带负电的负离子，两个异号离子间的原子得到电子成为带负电的负离子，两个异号离子间的静电吸引作用。静电吸引作用。特点：特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性。子相间排列，且无方向性
13、，无饱和性。结合力较大结合力较大离子晶体性质：离子晶体性质：熔点和硬度均较高，熔点和硬度均较高，热膨胀系统小，热膨胀系统小， 但脆性大。但脆性大。良好电绝缘体良好电绝缘体。二、共价键二、共价键 亚金属（亚金属（C、Si、Sn、Ge）、）、 聚合物和无机非金属材料。聚合物和无机非金属材料。实质：实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子 对形成。对形成。u在形成共价键时，为使电子云达到最大限度的重叠，共在形成共价键时，为使电子云达到最大限度的重叠，共价键就有方向性，键的分布严格服从键的方向性。价键就有方向性，键的分布严格服从键的方向性。u当一个
14、电子和另一个电子配对以后就不再和第三个电子当一个电子和另一个电子配对以后就不再和第三个电子配对了，成键的公用电子对数目是一定的，这就是共价键配对了，成键的公用电子对数目是一定的，这就是共价键的饱和性。的饱和性。金刚石结构金刚石结构共价晶体性质：共价晶体性质：强度高，硬度高，脆性大，熔点高，强度高，硬度高，脆性大，熔点高， 沸点高和挥发性低。沸点高和挥发性低。特点：特点：饱和性、配位数较小、方向性饱和性、配位数较小、方向性三、金属键三、金属键 金属键：金属键：金属中自由电子与金属正离子之间构成的键。金属中自由电子与金属正离子之间构成的键。 实质：实质：金属最外层电子数很少（通常金属最外层电子数很
15、少（通常s、p 价电子数少于价电子数少于4），即价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子，），即价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子，形成电子云。形成电子云。良好的导电性和导热性。良好的导电性和导热性。正的电阻温度系数。正的电阻温度系数。不透明并呈现特有的金属光泽。不透明并呈现特有的金属光泽。良好的塑性变形能力，好的强韧性良好的塑性变形能力，好的强韧性。金属键材料特点：金属键材料特点：特点：特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，电子共有化，既无饱和性又无方向性， 容易形成低能量密堆结构。容易形成低能量密堆结构。四四. 范德华键范德华键范德华键：范德华键：材料中分子间通过范德华力而形成的键
16、。材料中分子间通过范德华力而形成的键。共价键分子共价键分子极性分子：共价电子对偏于某一成键电子极性分子：共价电子对偏于某一成键电子非极性分子：共价电子对位于成价电子非极性分子：共价电子对位于成价电子中间中间极性分子极性分子=偶极子偶极子永久偶极永久偶极子子诱导偶极子诱导偶极子+-+-+-实质：实质：偶极子偶极子偶极子偶极子电偶极矩电偶极矩感应作用感应作用偶极子偶极子诱导偶极子诱导偶极子诱导偶极子诱导偶极子诱导偶极子诱导偶极子静电力静电力诱导力诱导力色散力色散力+-+-甲烷结构示意图甲烷结构示意图特点：特点：范德华键是一种次价键，没有方向性和饱和性范德华键是一种次价键，没有方向性和饱和性,它比化
17、学键的键它比化学键的键能小能小1-2个数量级，远不如化学键牢固，个数量级，远不如化学键牢固，但能很大程度改变材料性质。但能很大程度改变材料性质。u由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低。由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低。u因无自由电子，因此材料有良好的绝缘性。因无自由电子，因此材料有良好的绝缘性。u在高分子材料中总的范德华键超过化学键的作用，故在去除所有的范在高分子材料中总的范德华键超过化学键的作用，故在去除所有的范德华键作用前化学键早已断裂了，所以高分子往往没有气态，只有固态德华键作用前化学键早已断裂了，所以高分子往往没有气态，只有固态和液态。和液态。 在在 HF、H2O、NH3
18、等物质中，原子都是通过极性共价键等物质中，原子都是通过极性共价键结合的，氢原子中唯一的电子被其它原子所共有，裸露原子结合的，氢原子中唯一的电子被其它原子所共有，裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引形成氢桥。使分子之间通过核将与近邻分子的负端相互吸引形成氢桥。使分子之间通过氢键连接。下面以水为例加以说明氢键连接。下面以水为例加以说明。五、氢键五、氢键 氢和氧原子间形成共价键，由氢和氧原子间形成共价键，由于氢于氢- -氧原子间的共用电子对靠近氧原子间的共用电子对靠近氧原子而远离氢原子，使氢原子氧原子而远离氢原子，使氢原子剩下一个没有任何核外电子作屏剩下一个没有任何核外电子作屏蔽的原子核（质子），于
19、是这个蔽的原子核（质子），于是这个没有屏蔽的氢原子核就会对相邻没有屏蔽的氢原子核就会对相邻水分子中的氧原子外层未共价电水分子中的氧原子外层未共价电子有较强的静电引力，这个引力子有较强的静电引力，这个引力就是氢键。就是氢键。 离子键、共价键和金属键离子键、共价键和金属键都涉及到原子外层电都涉及到原子外层电子的重新分布，这些电子在键合后不再仅仅属于子的重新分布，这些电子在键合后不再仅仅属于原来的原子，因此，这几种键都称为原来的原子，因此，这几种键都称为化学键。化学键。 在形成在形成分子键和氢键分子键和氢键时，原子的外层电子分布时，原子的外层电子分布没有变化，或变化极小，它们仍属于原来的原子。没有变
20、化，或变化极小，它们仍属于原来的原子。因此，分子键和氢键就称为因此，分子键和氢键就称为物理键物理键。六、各种结合键的特点比较六、各种结合键的特点比较 一般说来，化学键最强，氢键和分子键较弱。一般说来，化学键最强，氢键和分子键较弱。类类 型型 作用力来源作用力来源键合键合强弱强弱 形成晶体的特点形成晶体的特点 离子键离子键 原子得、失电子后形成负、原子得、失电子后形成负、正离子，正负离子间的库仑正离子，正负离子间的库仑引力引力 强强 无方向性键、高配位数、高熔无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、低膨胀系数、塑点、高强度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔态离性较差、固态不导电、熔态离子导电子
21、导电 共价键共价键 相邻原子价电子各处于相反相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子核间的库的自旋状态，原子核间的库仑引力仑引力 强强有方向性键、低配位数、高熔有方向性键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、即使在熔态系数、塑性较差、即使在熔态也不导电也不导电 金属键金属键 自由电子气与正离子实之间自由电子气与正离子实之间的库仑引力的库仑引力 较强较强无方向性键、结构密堆、配位无方向性键、结构密堆、配位数高、塑性较好、有光泽、良数高、塑性较好、有光泽、良好的导热导电性好的导热导电性 分子键分子键 原子间瞬时电偶极矩的感应原子间瞬时电偶极矩的感应作用作用 较弱较弱无方向性键、结构密堆、高熔无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘点、绝缘氢键氢键 氢原子核与极性分子间的库氢原子核与极性分子间的库仑引力仑引力 弱弱有方向性和饱和性有方向性和饱和性 金属键金属键分子键和共价键分子键和共价键离子键、共价键离子键、共价键多种结合键多种结合键 价键四面体价键四面体
